Ultrazvukové bioreaktory na fermentáciu

Ultrazvuk je účinným prostriedkom na stimuláciu mikroorganizmov mechanickými vibráciami a kavitáciou. V sonobioreaktore / ultrazvukovom fermentore možno ultrazvukové spracovanie buniek a tkanív veľmi presne riadiť, pretože faktory prostredia možno presne stanoviť. Pomocou ultrazvukových bioreaktorov možno výrazne zvýšiť produkciu fermentácie.

Fermentácia

Účinnosť fermentácie závisí od procesných podmienok: živiny, hustota média, teplota, obsah kyslíka / plynu a tlak sú dôležitými faktormi, ktoré ovplyvňujú mikrobiálnu aktivitu. Mikroorganizmom aj bunkám cicavcov sa darí iba za určitých podmienok. Správne podmienky v kombinácii s ultrazvukovou stimuláciou môžu maximalizovať výťažok fermentácie.

Ultrazvuková stimulácia mikroorganizmov

Fermentácia je metabolický proces, pri ktorom sa cukor premieňa na kyseliny, plyny alebo alkohol. Prebieha v kvasinkách a baktériách a tiež vo svalových bunkách s nedostatkom kyslíka, ako je to v prípade mliečneho kvasenia. Pojem fermentácia sa používa aj v širšom zmysle na označenie hromadného rastu mikroorganizmov na kultivačnom médiu, často s cieľom vyrobiť konkrétny chemický produkt.
Fermentačné procesy sa uskutočňujú v priemyselnom meradle s využitím mikroorganizmov, ako sú baktérie a huby. Fermentované produkty sa používajú v potravinárstve aj v priemysle všeobecne. Fermentáciou sa vyrábajú chemické látky, ako sú kyselina octová, kyselina citrónová a etanol. Rýchlosť fermentácie ovplyvňuje koncentrácia mikroorganizmov, buniek, bunkových zložiek a enzýmov, ako aj teplota a pH. Pri aeróbnej fermentácii je kľúčovým faktorom aj kyslík. Takmer všetky komerčne vyrábané enzýmy, ako sú lipáza, invertáza a syridlo, sa vyrábajú fermentáciou pomocou geneticky modifikovaných mikroorganizmov.

• Produkcia biomasy (životaschopného bunkového materiálu)
• Produkcia extracelulárnych metabolitov (chemických zlúčenín)
• Produkcia intracelulárnych zložiek (enzýmov a iných bielkovín)
• Transformácia substrátu (pri ktorej je transformovaný substrát samotným produktom)

Sonikácia pred fermentáciou, počas nej a po nej

Sonikáciu, teda pôsobenie nízkofrekvenčných ultrazvukových vĺn, možno využívať pred fermentáciou, počas nej aj po nej rôznymi spôsobmi a v rôznych fázach fermentačného procesu.

Ultrazvukové spracovanie pred fermentáciou – zlepšenie dostupnosti biomasy

1. Zlepšený prenos hmoty: Sonikácia sa ako predúprava používa na podporu prenosu hmoty a zvýšenie dostupnosti substrátu pre mikroorganizmy. Ultrazvukové miešanie podporuje prenos substrátov k mikrobiálnym bunkám a odvod produktov od nich. Ultrazvukové zintenzívnenie prenosu hmoty možno využiť ako predúpravu aj počas fermentácie.
2. Rozrušenie buniek: Sonikáciu možno použiť na rozrušenie bunkových stien a membrán, najmä v mikrobiálnych alebo kvasinkových kultúrach. Pomáha to uvoľňovať intracelulárne zložky, ako sú enzýmy alebo metabolity, čo môže zlepšiť výkonnosť fermentácie alebo uľahčiť následné procesy.
3. Extrakcia intracelulárnych zlúčenín: Sonikácia môže napomáhať extrakcii intracelulárnych zlúčenín z biologických materiálov pred fermentáciou. Zahŕňa to extrakciu enzýmov, bielkovín, nukleových kyselín alebo iných cieľových zlúčenín z buniek, tkanív alebo rastlinných materiálov na následné použitie vo fermentačných procesoch.

Napríklad ultrazvuková predúprava ryžových pliev sa použila na zintenzívnenie enzymatickej hydrolýzy pri výrobe xylooligosacharidov pomocou Aspergillus japonicus (var. japonicus CY6-1). Sonikáciou sa výrazne zvýšila produkcia celulolytických a xylanolytických enzýmov z ryžových pliev. Pri sonikácii sa výťažok hemicelulózy zvýšil na 1,4-násobok a čas výroby sa výrazne skrátil z 24 h na 1,5 h pri 80ºC – s ďalším potenciálom na optimalizáciu procesu. Huby dokážu sonikovanú biomasu oveľa ľahšie premieňať, takže sa predlžuje stabilita enzýmovej aktivity a aktivita CMCase, b-glukozidázy a xylanázy sa zvyšuje v porovnaní s nesonikovanými ryžovými plevami. Konečnými produktmi fermentácie boli xylotetraóza, xylohexaóza a xylooligosacharidy s vyššou molekulovou hmotnosťou. Výťažok xylohexaózy zo sonikovaných ryžových pliev bol o 80% vyšší.

Ultrazvukom podporovaná fermentácia – stimulácia mikroorganizmov

• Miešanie a homogenizácia: Sonikáciu možno počas fermentácie použiť ako techniku miešania. Aplikácia ultrazvukových vĺn pomáha vytvárať mikroprúdenie a podporuje homogenitu, čím zabezpečuje rovnomerné rozloženie živín, plynov a mikroorganizmov vo fermentačnej nádobe.
• Zintenzívnenie prenosu hmoty: So zlepšeným miešaním a homogenizáciou súvisí aj ultrazvukom zvýšená rýchlosť prenosu hmoty počas fermentácie. Ultrazvukové oscilácie a kavitácia vytvárajú lokálne turbulencie a zintenzívňujú difúziu substrátov, plynov a živín do fermentačného média. To môže zlepšiť celkovú účinnosť a produktivitu fermentačného procesu.
• Zlepšenie životaschopnosti buniek a metabolickej aktivity: Sonikáciu možno aplikovať na mikrobiálne kultúry počas fermentácie na zlepšenie životaschopnosti buniek a metabolickej aktivity. Mierna sonikácia môže stimulovať určité mikroorganizmy a podporovať rast, produkciu biomasy a syntézu požadovaných metabolitov alebo produktov fermentácie.

Presne regulovateľná a opakovateľná sonikácia pomáha zlepšovať produktivitu rôznych fermentačných procesov bez poškodenia buniek. Intenzitu sonikácie možno presne prispôsobiť konkrétnemu druhu buniek a jeho požiadavkám. Riadená sonikácia priaznivo ovplyvňuje rast a metabolizmus buniek a výrazne zlepšuje premeny katalyzované živými bunkami, napr. stimuláciou bifidobaktérií v mlieku.
Pri niektorých fermentačných procesoch využívajúcich huby sa sonikácia úspešne používa na úpravu rastovej morfológie a reológie fermentačného média bez ovplyvnenia rýchlosti rastu a výťažku vláknitých húb.

Ultrazvukové ošetrenie po fermentácii

• Zber a separácia buniek: Sonikácia môže pomôcť pri zbere a separácii buniek po fermentácii. Môže pomôcť pri rozrušovaní bunkových agregátov, flokulantov alebo biofilmov, čím uľahčuje uvoľňovanie buniek z fermentačného média. To zjednodušuje následné spracovateľské procesy, ako je získavanie buniek alebo čistenie produktu.
• Extrakcia vnútrobunkových produktov: Po fermentácii možno sonikáciu použiť na extrakciu vnútrobunkových produktov, ako sú enzýmy, proteíny alebo sekundárne metabolity, z mikrobiálnej alebo bunkovej biomasy. Tento extrakčný proces pomáha získavať cenné zlúčeniny a zlepšuje celkový výťažok fermentačného procesu.
• Dezintegrácia buniek na analytické účely: Sonikáciu možno použiť na rozrušenie buniek alebo mikrobiálnych vzoriek po fermentácii, najmä na analytické účely. Napomáha lýze buniek a uvoľňovaniu vnútrobunkového obsahu, čím uľahčuje analýzu bunkových zložiek alebo vykonávanie následných analytických stanovení.

Pri výrobe intracelulárnych zložiek, ako sú mikrobiálne enzýmy (napr. kataláza, amyláza, proteáza, pektináza, glukózaizomeráza, celuláza, hemiceluláza, lipáza, laktáza, streptokináza) a rekombinantné proteíny (napr. inzulín, vakcína proti hepatitíde B, interferón, faktor stimulujúci kolónie granulocytov, streptokináza), sa bunky musia po fermentácii lyzovať / rozrušiť, aby sa uvoľnili požadované proteíny. Sonikácia uľahčuje extrakciu intracelulárnych a extracelulárnych polysacharidovo-proteínových komplexov z viskózneho mycéliového fermentačného média. Okrem vynikajúcej výťažnosti a účinnosti extrakcie je sonikácia osvedčenou a spoľahlivou metódou lýzy buniek a extrakcie intracelulárneho materiálu.
Kliknite sem a prečítajte si viac o ultrazvukovej lýze a extrakcii!

Ultrazvukové bioreaktory na zlepšenie fermentačných procesov

Hielscher Ultrasonics má dlhoročné skúsenosti s ultrazvukom stimulovanými bioprocesmi, ako sú stimulácia buniek, fermentácia, rozrušovanie buniek a extrakcia. Ponúkame rôzne štandardné ultrazvukové reaktory rozličných veľkostí a geometrií na sonikáciu vo vsádzkovom aj prietokovom režime. Alternatívne ponúkame riešenia na mieru na integráciu do vášho existujúceho bioreaktora. Keďže naše ultrazvukové procesory sú veľmi univerzálne a vyžadujú len málo priestoru, možno ich bez problémov dodatočne integrovať do existujúcich biotechnologických prevádzok.
Tu si prečítajte viac o typoch, konštrukciách a aplikáciách ultrazvukových reaktorov!
Nasledujúca tabuľka uvádza všeobecné odporúčania zariadení v závislosti od objemu spracovávanej vsádzky alebo prietoku. Kliknutím na typ zariadenia získate ďalšie informácie o danom zariadení.

Literatúra/Referencie

• N. Sainz Herrán, J. L. Casas López, J. A. Sánchez Pérez, Y. Chisti (2010): Influence of ultrasound amplitude and duty cycle on fungal morphology and broth rheology of Aspergillus terreus. World J Microbiol Biotechnol 2010, 26: 1409–1418.
• N. Sainz Herrán, J. L. Casas López, J. A. Sánchez Pérez, Y. Chisti (2008): Effects of ultrasound on culture of Aspergillus terreus. J Chem Technol Biotechnol 2008, 83: 593–600./li>
• C. F. Liu, W. B. Zhou (2010): Stimulating Bio-yogurt Fermentation by High Intensity Ultrasound Processing.